礦用刮板輸送機變頻調速控制系統的改進與應用

高鳳山

（鐵煤集團內蒙古東林煤炭有限責任公司，內蒙古自治區 烏蘭察布 013350）

引言

刮板輸送機作為煤礦開采工作面中的關鍵運輸設備，其運行效率直接決定著煤礦開采效率[2]。隨著煤礦對開采設備要求的不斷提高，刮板輸送機傳統的驅動方式在實踐中已經受到了很大的制約，暴露出一些問題，比如設備啟動時對電力網絡造成沖擊、啟動過程困難、運行過程設備損耗大等問題[3-4]。基于此，優化刮板輸送機的驅動方式顯得尤為重要[5]。當前變頻調速控制技術在工業中取得了很好的應用效果[6]，因此基于變頻調速控制技術，對礦用刮板輸送機的驅動方式進行優化設計，將并將其應用到工程實踐中。

1 刮板輸送機概述

本文以煤礦中使用的SGB-620/80T型刮板輸送機為例進行介紹。刮板輸送機整體上是一個非常復雜的結構，內部包含有多個零部件，但最為重要的結構主要包括機頭、機尾、中部槽、過渡槽、機載控制器等。由于設備長度較長，因此需要同時使用三部電機對其進行驅動，其中兩臺電機位于機頭部位，一臺電機位于機尾部位。電機輸出的動力經減速器后作用在鏈輪上，刮板鏈條與鏈輪進行嚙合傳遞動力，鏈輪旋轉帶動刮板鏈條做循環運動，從而帶動中部槽結構運動。

刮板輸送機與驅動方式存在緊密關系表現在以下兩個方面：第一，由于刮板輸送機同時通過三臺電機進行驅動，因此三臺電機之間的運行功率必須保持相對平衡。若電機功率不平衡，不僅會對電氣系統造成損傷，更嚴重是的會對刮板輸送機的機械結構造成牽扯拉傷。第二，刮板輸送機在啟動時，尤其是重載啟動時，如果采用傳統的驅動方式啟動，會對設備造成沖擊，提升設備運行故障率，降低使用壽命。基于上述刮板輸送機運行時的現實問題，煤礦企業擬基于變頻調速控制技術對刮板輸送機的驅動方式進行優化改進。

2 刮板輸送機變頻驅動優化方案

2.1 系統總體方案設計

基于變頻調速控制技術的刮板輸送機驅動方案如圖1所示。由圖可知，變頻調速控制系統主要由刮板輸送機、電機、變頻器及PLC控制器等部分構成。其中刮板輸送機中使用的三臺電機各項技術參數完全相同。為了便于控制，可以將機頭的兩臺電機等效成為一臺電機，通過一臺變頻器同時對此兩臺電機進行控制，機尾的一臺電機使用另外一臺變頻器對其進行控制。

圖1 刮板輸送機變頻驅動方案示意圖

2.2 系統的基本工作原理

控制系統中的兩臺變頻器同時接受PLC控制器的控制。控制系統工作時通過霍爾傳感器可以對電機工作電流進行識別，將結果實時傳輸到PLC控制器中，控制器基于電流大小即可判斷電機運行功率大小，進而判斷電機功率是否平衡。如果發現電機功率不平衡，則可以下達指令對變頻器進行控制，調整變頻器輸出電壓頻率，達到控制電機運行功率的目的，直到三臺電機功率達到平衡為止。另外，為了避免刮板輸送機啟動過程尤其是重載啟動時對設備造成的沖擊，可以在PLC控制器中預先設定啟動程序，使電機轉速按照設定的“S形曲線”模式慢慢加速。

3 變頻調速控制系統主要硬件的選型與設計

設計的刮板輸送機變頻調速控制系統中，PLC控制器、變頻器和霍爾電流傳感器是非常關鍵和重要的硬件設施，以下主要對此三項硬件裝置進行介紹。

3.1 PLC控制器

PLC控制器是變頻調速控制系統的大腦，因此在對PLC控制器進行選型時必須要考慮運行過程的性能和穩定性。DX-MA01型PLC控制器在工業領域得到了非常廣泛的應用，并取得了很好的應用效果，本研究結合實際情況，選用該型號控制器作為變頻調速控制系統的PLC控制器。該型號控制器對各項功能進行了高度集成，自帶很多個數據接口，能夠進行數據的傳入與傳出，完全能夠滿足變頻調速控制系統的實際使用需要，輸出信號不需要經過轉換即可直接傳入變頻器中對其進行控制。PLC控制器中CPU是其中非常重要的構成部分，該型號控制器中使用的CPU型號為英飛凌TC1796，其內存大小和閃存大小完全相同，為4 MByte+80 kByte。對數據的處理頻率大小為150 150 MHz，能夠保證數據處理的效率。

3.2 變頻器

變頻器的作用是接受PLC控制器的指令，并輸出對應的電壓頻率。當電機的輸入電壓頻率改變時其輸出轉速會隨之改變，以此達到控制電機輸出轉速的目的。結合市場情況和系統實際情況，最終選用的是由西門子公司研制生產的變頻器，具體型號為6SE7134-5HK62-5BA0。該變頻器能夠適應煤礦復雜工作環境，且適用功率范圍非常廣闊，最低可以達到0.55 kW，最高可以達到2 800 kW。如圖2所示為變頻器操作界面圖。此型號變頻器具有自我保護功能，每次啟動以及正常運行過程中都會進行自檢，如果發現存在問題會通過指示燈進行指示。

圖2 變頻器操作界面圖

3.3 霍爾傳感器

變頻調速控制系統中，霍爾傳感器的作用是對三臺電機運行時的電流大小進行檢測，檢測精度直接決定了系統控制的精度，因此必須具備有相當高的檢測精度。選用的霍爾傳感器型號為CSNR16Ⅰ，該傳感器為本質安全型傳感器，完全能夠滿足礦井惡劣的服役環境。還具有測量精度高、測量范圍廣等顯著的優勢，響應速度也非常快。

4 變頻調速控制系統改進效果分析

將設計的刮板輸送機變頻調速控制系統改進方案應用到某煤礦工程實踐中，為了驗證方案的優劣，對其進行了三個月時間的測試。經過測試發現，變頻調速控制系統改進方案應用效果良好，與以往的驅動方式相比較而言，其優勢主要表現在以下幾個方面：第一，刮板輸送機啟動過程中按照系統設定的“S形曲線”啟動模式進行啟動，有效避免了硬啟動過程對設備造成的沖擊；第二，設備在啟動和正常運行過程中，能夠對電機運行電流大小進行實時監控與控制，從而保障三臺電機之間的功率平衡問題。通過對變頻調速控系統的優化改進，有效解決了以往驅動方式在實踐中暴露出來的問題，顯著提升了刮板輸送機運行的可靠性和穩定性，降低了設備運行的故障率，從而為煤礦企業降低了維護保養成本，經過初步分析，每年可以為煤礦企業節省維修成本10萬元以上。同時，刮板輸送機的開機時間與之前相比也有了顯著的提升，為提升煤礦開采效率奠定了堅實的基礎。綜上，通過此次刮板輸送機變頻調速控制系統改進，為煤礦企業創造了良好的社會效益和經濟效益，得到了煤礦企業人員的一致認同。